1.1 연구의 배경

LED 광원을 이용한 조명은 에너지 효율이 높고 색온도 조절이 쉽고, 빠른 응답 속도를 가지고 있어서 일반 조명뿐 아니라 차량용 조명, 가로등, 의료용 조명 등 다양한 분야에 응용되고 있다⁽¹⁾. 빠른 응답 속도로 인하여 자동차 조명의 브레이크 등이나 방향 지시등의 경우에 기존 조명에 비하여 빠르게 상대방 운전자에게 신호를 전달할 수 있다⁽²⁾.

LED 광원의 빠른 응답 속도로 인하여, PWM(Pulse Width Modulation)이라는 빠른 On/Off 제어 폭의 조절을 통하여 LED 조명의 밝기를 쉽게 조절할 수도 있다. 최근에 LED 광원의 밝기 조절과 같이 시간에 따라 변하는 조명으로 인하여 심리적, 생리적, 인지적 영향이 중요한 이슈가 되고 있고^(3-4), CIE에서는 이러한 문제에 대한 효과적인 대응을 위한 TC(Technical Committee)를 운영하고 있으며 (TC1-83)⁽⁵⁾, 최근에는 관련된 연구를 촉진하고 연구결과를 공유하며 관련된 연구결과들을 논의할 수 있는 연구 포럼(Research Forum)을 구성하여 운영하고 있다(RF-2)⁽⁶⁾.

CIE에서는 시간에 따라 휘도나 스펙트럼이 변하는 조명으로 인하여 관찰자가 특정한 환경에서 경험하게 되는 시각적 인지의 변화 현상을 명멸조명 유발현상(Temporal Light Artifact, TLA)이라고 정의하고 안구 운동 여부와 환경적 요소의 움직임 여부에 따라 세 가지로 나눈다⁽⁷⁾. 흔히 알고 있는 고정된 환경에서 안구 운동이 없이 광원의 밝기가 시간상으로 변하기 때문에 경험하게 되는 플리커(flicker)뿐 아니라 시간에 따라 변하는 조명 아래에서 움직이는 물체에서 관찰하게 되는 스트로보 효과(stroboscopic effect)와 눈동자 움직임이 있을 때 관찰하게 되는 팬텀 어레이 효과(phantom array effect)가 명멸조명 유발현상에 해당한다. 이 명멸조명 유발현상을 시계열 조명 현상이라는 용어로도 불렀다⁽⁸⁾.

1.2 관련 연구

LED 광원이 일반 조명용 광원으로 널리 사용되면서 명멸조명 유발현상이 중요한 이슈로 다루어지고 있으며, 특히 팬텀 어레이 효과와 관련해서는 최근에 다양한 연구들이 진행되고 있다. 기존의 팬텀 어레이 효과에 관한 연구에서는 광원의 휘도, 크기, 변조 주파수 등에 의한 영향이 있는 것으로 보고되었다⁽⁹⁾. 하지만 이러한 요소들이 각각 어떤 관계(선형적, 반비례, 로그 선형 등)로 영향을 미치는지에 대한 분석이 미비하며, 각각의 요소들이 어떻게 상호작용하여 영향을 미치는지에 관한 연구도 부족한 실정이다.

단속 안구 운동 중에는 단속운동억제(saccadic suppression)라는 현상이 일어나 대비 민감도(contrast sensitivity)가 감소한다는 보고⁽¹⁰⁾가 있는 반면에, 최근에는 단속 안구운동 전후의 선명한 이미지에 의한 영향을 제거하게 되면, 대비 민감도에는 큰 차이가 없다는 보고도 있다⁽¹¹⁾. 팬텀 어레이 효과에 대하여 기존의 공간적 대비 민감도를 바탕으로 설명하려는 노력이 있었으나, 기존의 대비 민감도 함수와 팬텀 어레이 효과의 대비 민감도 함수에는 차이가 있는 것으로 보고되고 있다⁽¹²⁾.

팬텀 어레이 효과를 관찰할 수 있는 임계값에 대한 실험에서 팬텀 어레이 효과의 임계값에 개인차가 큰 것으로 나타났으며⁽¹³⁾, 일부의 경우에는 팬텀 어레이 효과를 감지하지 못하는 경우도 있음을 보였다. 최근 연구를 통하여 눈동자의 최대 움직임 속도와 팬텀 어레이 효과의 임계 주파수 사이에 연관 관계가 있음을 확인했으나⁽¹⁴⁾, 눈동자 움직임 속도의 차이만으로 개인차를 충분히 설명하기 힘들다.

또한, 선행 연구에 따르면, 백색 LED를 바탕으로 한 실험에서, 팬텀 어레이 효과는 11khz 이상의 높은 점멸 주파수에도 관찰이 되고 있다⁽¹⁵⁾. 주파수 점멸 제어 조명에서 컬러에 따라 팬텀 어레이 효과가 보이는 임계값이 다르게 나타나는 현상이 보고되었다^(16-17).

본 연구에서는 컬러 LED에서도 기존의 백색 LED와 같이 높은 점멸 주파수에서 팬텀어레이 효과를 관찰할 수 있는지를 살펴보며, 또한 기존의 연구에서 관찰되는 파장에 따른 시인성의 차이가 1kHz 이상의 고속 점멸 주파수에서도 있는지를 검토하고자 한다.

2.1 실험 장치

실험을 위한 시스템 구성은 11kHz의 점멸 백색 LED에서도 팬텀어레이 효과를 검출할 수 있음을 보였던 논문⁽¹⁵⁾과 거의 같은 구성을 하였다. 실험에 핵심이 되는 LED 광원은 아두이노에서 오디오 출력의 주파수 변조를 이용하여 PWM 점멸 주파수를 바꾸도록 하였다. 또한, 규칙적인 눈동자 움직임을 유도하기 위하여 패널에 길이 30cm인 정삼각형을 구성하고, 각 모서리에 LED를 배치하였다. 모서리에는 빨간색 LED 및 녹색 LED가 아두이노에 연결되어 있어서 하나씩 순차적으로 설정된 시간에 불이 왔다가 꺼지도록 하였다. 이를 위하여 구성된 실험장치는 폭 70cm, 높이 95cm의 검은색 패널로, 암실 안에 배치하였다. 하나의 패널에는 안구운동을 유도하기 위하여 상단의 시작점에 그림 1 (a)의 빨간색 LED 광원 한 개와 그림 1 (b) (c)의 하단의 왼쪽에서 오른쪽으로 시차를 두고 이동하는 두 개의 녹색 LED 광원이 배치되었고, 그 둘 사이에는 실험을 위한 제어 LED 광원이 위치하였다. 실험용 LED 광원은 적색, 녹색, 청색과 백색으로 구성하였다. 그림 1은 실험을 위하여 구성된 패널에서 순차적으로 LED 광원이 점멸하는 것을 보여준다.

Fig. 1. An Example of flashing light of the experiment apparatus to induce saccadic eye movement

팬텀어레이 효과의 시인성은 광원이 실험 참가자에게 비추어지는 광원의 크기와 모양에 영향을 받는다⁽¹⁷⁾. 본 실험에서는 그러한 특성을 고려하여 실험용 광원이 실험 참가자에게 제시되는 조명의 크기를 정밀 제어하였다. 본 실험에서 조명이 보이는 슬릿의 크기는 0.2mm의 폭과 2mm의 높이를 가지며, 중앙 슬롯 뒤에 장착된 버니어 캘리퍼스를 통하여 폭을 정밀제어하였다. 실험공간의 실내 조도는 1㏓ 이하였다. LED의 작동은 아두이노에 의해 제어되었다. 실험에 사용된 각각의 실험용 LED 광원에 연결된 저항을 조절하여 광원의 휘도를 유사하게 맞추었다. 코니카-미놀타 CS-2000으로 측정한 중심부 휘도는 적색(R) 10010cd/m2, 녹색(G) 9996cd/m2, 청색(B) 9975 cd/m2, 백색(W) 10040cd/m2이었다.

2.2 실험 절차

실험에서는 실험 참가자의 안구운동 속도를 적절히 유지하기 위하여 다음과 같은 절차를 따랐다. 다음은 하나의 실험 사이클에 해당하는 절차이다.

1) 그림 1 (a)와 같이 상단의 빨간색 LED가 켜졌다가 꺼지고 그림 1 (b)와 같이 하단의 왼쪽 녹색 LED가 1초 동안 켜지면서 실험이 시작된다.

2) 그런 다음 왼쪽 녹색 LED가 꺼지고 그림 1 (c)와같이 오른쪽 녹색 LED가 즉시 켜진다.

3) 오른쪽 녹색 LED가 켜진 후 100ms 뒤에 눈높이에 있는 실험용 LED가 켜진다.

4) 이 LED는 500ms 뒤에 꺼지며 곧바로 이어서 그림 1 (c)의 오른쪽 녹색 LED이 꺼진다.

5) 이후 바로 다음 실험 준비를 위하여 그림 1 (a)와 같이 상단의 빨간색 LED가 켜진다.

실험 참가자들에게 요구된 과제는 LED가 켜지는 차례대로 시선을 따라가는 것이었다. 예컨대 실험이 시작되면 빨간색 LED에 눈을 고정하고, 녹색 LED를 따라 눈동자를 움직인 후, 마지막에는 다시 빨간색 LED에 고정한다. 설정된 광원 색상에서, 주어진 주파수에 대해서 2회에 걸쳐서 실험 사이클을 수행하게 되고, 그중에 한번은 주어진 주파수로 PWM 점멸하고, 다른 한 번은 60kHz로 점멸한다. 모든 경우에 PWM 점멸은 50% 듀티 사이클로 On/Off 시간이 동일한 비율로 깜박거린다. 60kHz인 경우에는 점멸현상을 관찰할 수 없는 경우이다. 두 번 중에 언제 주어진 주파수로 할 것인지는 무작위로 결정된다. 실험 참가자는 두 번 중에 어느 것에서 팬텀어레이 효과를 볼 수 있는지를 선택해야 한다.

실험 참가자들은 왼쪽 녹색 LED에서 오른쪽 녹색 LED로 눈을 이동하면서 실험용 컬러 LED 또는 백색 LED의 패턴을 관찰해야 한다. 실험 참가자들은 두 사이클 중 몇 번째 사이클이 팬텀어레이 효과를 발생시키는지 스위치를 눌러 표시하였다.

실험 참가자들에게 제시되는 LED의 컬러 순서(R,G,B,W)는 무작위로 정하였고, 각 컬러별 실험에서도 순서에 의한 영향을 최소화하기 위하여 점멸 주파수를 무작위로 선택하여 주파수당 10번 제시하였다. 실험 참가자가 제대로 보지 못하면 스위치를 통하여 이전단계에서 실행된 사이클이 재실행될 수 있게 하였다. 실험 참가자가 다음 단계로 이동하게 되면, 실험 참가자의 입력을 바탕으로 정답 여부가 자동으로 기록되었다.

1차 실험에서 눈높이에 있는 실험 LED 광원은 1, 3, 5, 7, 9, 11kHz 점멸 주파수 중 하나로 임의 순서로 선택하게 된다. 1차 실험에는 대학생 20명(남자 8명, 여자 12명, 평균연령 22.45세)이 참여했다. 실험 참가자들은 정상적인 시각과 색 분별력을 가지고 있다.

2차 실험에서는 1차 실험 참여자 중에 10명을 선정하여 실험을 진행하였다. 또한, 임계 주파수를 효과적으로 판단할 수 있도록 2kHz 단위가 아니라 1kHz 단위로 실험을 진행하였다. 따라서, 1kHz, 2kHz, 3kHz, 4kHz, 5kHz, 6kHz, 7kHz, 8kHz, 9kHz, 10kHz, 11kHz에 대하여 실험을 진행하였다. 2차 실험에서는 1차 실험과 비교해 더 많은 시간이 걸릴 수 있고, 안구 운동으로 인한 눈의 피로로 인한 영향을 최소화하기 위하여 실험 사이에 자유롭게 쉬는 시간을 가질 수 있도록 하였다.

3.1 1차 실험 결과: 2kHz 주파수 단위

본 실험에서 팬텀어레이 효과의 시인성은 실험 참가자의 정확 응답률을 바탕으로 평가하였다. 강제 응답을 요구하는 실험이었기 때문에 실제 팬텀어레이 효과의 시인성과 무관하게 무작위로 답을 선택한다면 기대할 수 있는 정답률은 50%이고, 실제 팬텀어레이 효과에 대한 검출확률이 50%인 경우에 기대할 수 있는 정답률은 75%이다. 표 1과 그림 2는 네 가지 색상의 LED 광원에서 2kHz 간격의 각 점멸 주파수에 대하여 20명의 실험 참가자가 팬텀 어레이를 보았다고 보고한 평균 정확 응답률이다.

Fig. 2. Correct response rate of the phantom array effect according to flashing frequency (Experiment 1)

1차 실험을 통하여 점멸 주파수가 올라감에 따라 팬텀어레이 효과의 시인성이 떨어지는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 녹색의 경우를 제외하고는 주파수가 높아질수록 팬텀어레이 효과의 정답률이 떨어져서 팬텀어레이 효과의 시인성이 감소함을 알 수 있다. 또한, 파장에 따른 정답률에서도 차이가 있는 것을 볼 수 있었다. 특히 청색 LED 광원에 대한 시인성은 다른 조명에 비하여 떨어지는 것을 볼 수 있다.

하지만, 이론에서와같이 75% 이상의 정확도를 가지는 LED 광원이 명확하게 나타나지 않았다. 실험 데이터 분석을 통하여 일부 실험 참가자의 경우에는 전체 파장 영역에 대하여 50%에 현저히 미치지 못하거나 파장에 따른 차이가 없는 일부 실험 참가자를 확인할 수 있었다. 또한, 2kHz 단위로 측정을 하기 때문에 임계값의 주파수 차이가 2kHz 이상이 나지 않으면 동일한 주파수에서 임계값을 가지게 되어 광원의 파장에 따른 임계값을 명확하게 살펴보기 힘들었다.

3.2 2차 실험 결과: 1kHz 주파수 단위

2차 실험에서는 1차 실험 결과를 보완할 수 있도록 실험 참가자와 실험 주파수를 수정하였다. 우선 실험 참가자를 2차 실험에서는 1차 실험에 참여한 학생 중에 백색에서 1kHz에서 90% 이상의 정확도를 보인 학생 10명을 선정하여 실험을 진행하였다. 이는 1kHz에서도 정확도가 떨어지는 실험 참가자의 답변이 다른 주파수 결과에 대해서도 신뢰성을 갖기 어렵다고 보았기 때문이다. 또한, 실험 주파수의 간격을 2kHz가 아니라 1kHz 단위로 좀 더 조밀하게 하여 임계값 주파수를 관찰하도록 실험을 구성하여 진행하였다. 이는 임계 주파수를 판단하는 데 있어서 파장에 따른 차이를 보다 명확하게 살펴보려는 방안이다.

표 2와 그림 3은 1kHz~11kHz 사이에 1kHz 단위로 10명의 실험 참가자에게서 얻은 평균 정답률이다. 1차 실험과 유사하게 고주파 점멸의 경우에 정답률이 떨어져 고주파수로 갈수록 시인성이 감소하는 것을 볼 수 있다. 2차 실험에서는 정답률의 75% 지점이 정답률의 중간에 분포하며, 1kHz 간격으로 측정함으로써 LED 광원의 색상, 즉 파장에 따른 차이를 좀 더 명확하게 볼 수 있었다.

2차 실험의 결과에 의하면, 정답률이 75%, 즉 실제로 팬텀어레이 효과를 검출할 확률이 50%인 파장별 임계값에서 청색(B)<백색(W)<녹색(G)≅적색(R)의 관계를 보여준다. 이 실험 결과는 고주파수 점멸에서도 이전 실험과 유사한 결과를 보여준다. 이전 결과⁽¹⁷⁾에서는 녹색(G)의 시인성이 적색(R)보다 높게 나왔지만 유의미한 차이를 보이지는 못했다. 본 실험에서도 1kHz 등 일부 주파수에서는 이전 실험과 동일한 경향을 보인다.

Fig. 3. Correct response rate of the phantom array effect according to flashing frequency (Experiment 2)

2차 실험의 결과와 1차 실험 결과를 추가적으로 비교하기 위하여, 1차 실험 데이터 중에서 2차 실험에 참가한 백색 광원 1kHz에서 90%이상의 정확도를 보였던 학생들에 대한 실험데이터에 대하여 그림 4에 나타내었다. 그림 4와 그림 2를 비교하면, 백색 광원 1kHz에서 90%이상의 정확도를 보여준 학생의 경우에는 백색에 대하여 주파수가 증가함에 따라 정확도가 선형적으로 감소함을 명확하게 보여주고 있다. 동일한 실험에서 그림 2의 1차 실험의 경우에는 큰 경향성에서는 유사하나 전체적으로 임계값이 크게 떨어져 의미있는 임계값을 구하기 어렵다. 그림 3의 2차 실험과 그림 4의 1차 실험 결과 중에 2차 실험에 참가한 백색 광원 1Khz에서 90%이상의 정확도를 가진 데이터를 비교해 보면, 1차에서 백색에 대하여 90%이상의 정확도를 보인 데이터만 선별했기 때문에, 백색에 대해서만 명확하게 높은 정확도를 보이고, 다른 데이터에 대해서는 정확도가 떨어지는 것을 보인다. 하지만, 1차실험 전체 평균과 비교하면, 상대적으로 전체적으로 정확성이 올라가고 있다. 하지만, 백색 광원을 제외하고 적색, 녹색, 청색 광원의 경우에는 3kHz와 5kHz 사이에서 정확도의 순서들이 바뀌고 있기 때문에 실험2와 같이 1kHz 단위의 추가실험이 필요했다.

Fig. 4. Correct response rate of the phantom array effect according to flashing frequency (Experiment 1 data of experiment 2 participants)